Po zjedzeniu paczki słonych chipsów prawdopodobnie czujesz pragnienie. A po długim okresie ćwiczeń również prawdopodobnie odczuwasz pragnienie. Jednak te dwa rodzaje pragnienia nie są takie same.
W pierwszym przykładzie prawdopodobnie sięgnąłbyś po wodę. Dzieje się tak, ponieważ po zjedzeniu chipsów stężenie soli i minerałów we krwi jest podwyższone, co wywołuje stan zwany pragnieniem osmotycznym. Z drugiej strony, po ćwiczeniach, prawdopodobnie sięgniesz po Gatorade lub inny płyn, który może zarówno nawodnić Cię, jak i uzupełnić elektrolity, minerały ważne dla funkcjonowania organizmu. To pragnienie, zwane pragnieniem hipowolemicznym, występuje, gdy objętość krwi jest zmniejszona z powodu utraty płynów z pocenia się.
Teraz naukowcy z Caltech odkryli unikalne populacje neuronów w mózgu myszy, które oddzielnie napędzają pragnienie osmotyczne i pragnienie hipowolemiczne. Badania wykorzystały wysokowydajną i solidną technikę mapowania neuronów, które są aktywowane przez konkretne zachowanie lub bodziec.
Badania zostały przeprowadzone w laboratorium Yuki Oka, profesora biologii i Chen Scholar, i są opisane w pracy, która pojawia się w czasopiśmie Nature 14 października.
Dwa regiony mózgu są znane jako ważne w zachowaniach związanych z piciem u ssaków, organ podoczodołowy (SFO) i organum vasculosum laminae terminalis (OVLT). Laboratorium Oka wcześniej wykazało, że każdy z tych regionów zawiera dwie ogólne kategorie neuronów: niektóre, które wywołują zachowania związane z piciem i inne, które je hamują.
Prowadzony przez Allana-Hermanna Poola, naukowca podoktorskiego w dziedzinie biologii i inżynierii biologicznej, zespół badaczy miał na celu scharakteryzowanie różnych typów neuronów w tych regionach. Neurony mogą być uważane za różne “typy” na podstawie repertuaru genów, które wyrażają. Za pomocą techniki zwanej single-cell RNA-seq, Pool i jego koledzy zmierzyli ekspresję genów we wszystkich neuronach w obrębie SFO i OVLT u myszy. Odkryli, że każda struktura mózgu zawierała co najmniej osiem różnych typów neuronów. Jest to znacznie większa różnorodność komórek niż pierwotnie zakładano.
Następnie zespół zbadał funkcje różnych typów komórek poprzez opracowanie szybkiej i skalowalnej techniki zwanej mapowaniem typu bodziec-komórka. To ważne narzędzie umożliwiło zespołowi określenie, które komórki były zaangażowane w określone stany behawioralne poprzez mapowanie sygnatur molekularnych w odniesieniu do aktywacji neuronalnej. W ten sposób zespół odkrył, że istnieją dwa unikalne zestawy typów neuronów w SFO i OVLT, które są aktywowane odpowiednio przez pragnienie osmotyczne lub hipowolemiczne.
“Podejście mapowania typu bodziec-komórka jest szczególnie przydatne do szybkiej identyfikacji neuronów przyczynowych dla każdego zachowania, stanu motywacyjnego lub działania leku”, mówi Pool. “To, co kiedyś zajęłoby kilka lat, teraz zajmuje tylko dwa tygodnie.”
Myszy zostały następnie zmodyfikowane genetycznie tak, aby zespół mógł aktywować neurony wrażliwe na osmolalność i hipowolemię za pomocą impulsów światła, dzięki technice zwanej optogenetyką. Badacze wykazali, że aktywacja neuronów wrażliwych na osmolalność skłaniała myszy do picia czystej wody i unikania wody słonej. W przeciwieństwie do tego, kiedy neurony wrażliwe na hipowolemię zostały aktywowane, myszy wykazywały apetyt na płyny bogate w minerały.
“Nasze wyniki pokazują, że pragnienie jest wielomodalnym odczuciem spowodowanym przez różne bodźce. Jest to ekscytujące odkrycie, ponieważ ilustruje, w jaki sposób nasz mózg odczuwa stany wewnętrzne przy użyciu bardzo podobnej strategii jak peryferyjne systemy sensoryczne, takie jak smak i węch”, mówi Oka.
Pool zauważa, że ich zespół składał się z kilku międzynarodowych uczonych. “Ta praca nie byłaby możliwa do wykonania bez otwartego i przyjaznego środowiska, jakie reprezentują uniwersytety amerykańskie w ogóle, a Caltech w szczególności”, mówi Pool, który pochodzi z Estonii.
Praca nosi tytuł “Cellular basis of distinct thirst modalities”. Pool jest pierwszym autorem badania. Oprócz Pool i Oka, innymi współautorami z Caltech są absolwent Tongtong Wang i były absolwent Sangjun Lee (PhD ’20). Dodatkowymi współautorami są David Stafford (BS ’04), Rebecca Chance i John Ngai (BS ’82, MS ’84, PhD ’89) z UC Berkeley. Finansowanie pochodziło z funduszy początkowych od prezydenta i prorektora Caltech oraz Wydziału Biologii i Inżynierii Biologicznej Caltech, Searle Scholars Program, Mallinckrodt Foundation, McKnight Foundation, Klingenstein-Simons Foundation, New York Stem Cell Foundation oraz National Institutes of Health. W pracy wykorzystano Centrum Profilowania Pojedynczych Komórek w Instytucie Beckmana w Caltech. Oka jest członkiem wydziału stowarzyszonym z Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience w Caltech.